【正文】 題目： 基 于 MATLAB 的電液位置伺服控制系統(tǒng)的建模與仿真研 究 信息 系 電氣自動化技術 專業(yè) 姓名 王冬 設計時間： 2021 年 9 月 21 日 ~ 2021 年 11 月 22 日 評閱意見： 成績： 指導 教師： （簽字） 職 務： 201 年 月 日 陽泉學院 III 畢業(yè)設計答辯記錄卡 信 息 系 電氣自動化技術 專業(yè) 姓名 王冬 答 辯 內(nèi) 容 問 題 摘 要 評 議 情 況 記錄員： （簽名） 成 績 評 定 指導教師評定成績 答辯組評定成績 綜合成績 注：評定成績?yōu)?100 分制，指導教師為 20%，評閱教師為 30%，答辯組為 50%。20世紀 70 年代，美國 MTS 公司研制出了以電液伺服系統(tǒng)為驅動的地震模擬振動臺，將電液伺服系統(tǒng)與復雜機構結合起來，開創(chuàng)了基于電液伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)集成設計的先河。電液伺服系統(tǒng)則以其反應快、重量輕、尺寸小及抗負載剛性大等優(yōu)點，廣泛地應用于以上各個行業(yè)中，在其控制算法上也有了進一步的改進，以適應系統(tǒng)要求。 電液位置伺服系統(tǒng)主要是用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務就是通過執(zhí)行機構實現(xiàn)被控量對給定量的及時和準確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。 本文然后通過 MATLAB軟件中的動態(tài)仿真工具 SIMULINK建立了電液伺服控制陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 ２ 系統(tǒng)仿真模型 ，通過對不同給定信號曲線的跟蹤，設計出一個優(yōu)良的 PID 控制器，表明 PID 控制器具有良好的抗干擾能位置和動態(tài)響速度。 （ 2）建立電液 位置 伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型。這里的系統(tǒng)是指廣義上的系統(tǒng)，泛指自然界的一切現(xiàn)象與過程。對于任何系統(tǒng)的研究都必須從如下三個方面來考慮： (1)實體：組成系統(tǒng)的元素、對象： (2)屬性：實體的特征： (3)活動：系統(tǒng)由一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程。模型具有與系統(tǒng)相似的特性，可以以各種形式更深刻的反映實際系統(tǒng)的主要特征和運動規(guī)律，是對實際系統(tǒng)更高層次上的抽象，本身就是對實體認識的結果。而數(shù)學模型可以分為原始系統(tǒng)數(shù)學模型和仿真系統(tǒng)數(shù)學模型。 電液伺服系統(tǒng)的結構框圖如圖 : 圖 指 令 單 元控 制放 大 器電 液伺 服 閥執(zhí) 行 元 件檢 測 元 件負 載 圖 見圖 ，電液控制系統(tǒng)的組成通常包括以下幾個單元 : (1)指令單元：按照系統(tǒng)的動作要求發(fā)出相對應的電壓信號。模型類型 靜態(tài)系統(tǒng) 模 型 動態(tài)系統(tǒng)模型 連續(xù)系統(tǒng)模型 離散系統(tǒng)模型 集中參數(shù) 分布參數(shù) 離散時間 數(shù)學描述 代數(shù)方程 微分方程 狀態(tài)方程 傳遞函數(shù) 偏微分方程 差分方程 離散狀態(tài)方程 概率分布排隊論 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 ４ 它通常包含在計算機或控制放大器中 ，它可以是電子部件或計算機軟件。 (5)執(zhí)行元件：液壓缸或液壓馬達，液壓控制閥輸出的流量和壓力 使執(zhí)行元件的可動部分動作。 (7)檢測單元：用于檢測控制量的器件，通常為傳感器及其二次儀表。 電液伺服控制系統(tǒng)建模 傳遞函數(shù)分析法是研究電液伺服系統(tǒng)最經(jīng)常采用的建模方式。 由于電液激振臺是電液位置伺服控制系統(tǒng)的一種。其系統(tǒng)設計的基本原則是安全，可靠和高效率，具體包括： （ 1）可靠性：能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行； （ 2）實用性：能滿足控制系統(tǒng)的各方面技術指標要求，系統(tǒng)投入運行后維護方便； （ 3）操作性：控制系統(tǒng)的人機界面便于操作人員操作，畫面直觀，全部過程采用中文顯示； （ 4）價格：系統(tǒng)投資合理，造價盡可能低； （ 5）維護功能：系統(tǒng)故障診斷功能完善， 維護容易。目前， PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已 在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(Intelligent Regulator)，其中 PID 控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。系統(tǒng)由模擬 PID控制器和被控對象組成。 比例 (P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。其調(diào)節(jié)器用在控制系統(tǒng)中，會使系統(tǒng)出現(xiàn)余差。只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。解決的 辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。下面從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應速度、超調(diào)量和控制精度等各方面特性來分析 PID 三參數(shù)對 PID 控制品質(zhì)的影響。 Ti 越大，積分速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快。因為 PID 控制器的微分環(huán)節(jié)只影響系統(tǒng)偏差的變化率，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前制動，降低超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 PID 控制器參數(shù)整定的方法有很多，概括起來主要有兩大類：一是理論計算整定法，二是通過在線實驗的工程整定法。 工程整定法。其共同點都是通過實驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 １１ 臨 界比例度法整定 PID 參數(shù)步驟 : (1)將調(diào)節(jié)器積分時間設定為無窮大、微分時間設定為零（即 Ti＝∞， Td＝0），比例度適當取值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)按純比例作用投入。 衰減曲線法 衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)通常會按照 4： 1和 10： 1 兩種衰減方式進行，兩種方法操作步驟相同，但分別適用于不同工況的調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。 (4)將比例度降至計算值上，觀察運行，適當調(diào)整。 10： 1 衰減曲線法 PID 參數(shù)整定經(jīng)驗公式 調(diào)節(jié)規(guī)律 調(diào)節(jié)器參數(shù) 比例度 δ，單位：％ 積分時間 Ti，單位： min 微分時間 Td，單位： min P δ ss PI δ ss 2Tr PID δ ss Tr Tr 穩(wěn)定邊界法整定 PID 參 數(shù) (ZN Method) (1)將積分系數(shù) KI 和微分系數(shù) KD 設為 0， KP置較小值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)定運行。 調(diào)節(jié)規(guī)律 調(diào)節(jié)器參數(shù) KP KI KD P PI PID 用試湊法確定 PID 控制器參數(shù) : 試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度 ,邊觀察系統(tǒng)的運行 ,邊修改參數(shù) ,直到滿意為止。減小積分系數(shù) KI 將減少積分作用 ,有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定 ,但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。將比例系數(shù) KP 由小到大變化 ,觀察系統(tǒng)的響應 ,直至速度快 ,且有一定范圍的超調(diào)為止。反復試驗幾次 ,直到消除靜差的速度滿意為止。 MATLAB 的特色 (1)語言簡潔，編程效率高 (2)交互性好，使用方便 (3)強大的 繪圖能位置，便于數(shù)據(jù)可視化 (4)學科眾多、領域廣泛的工具箱 (5)開放性好，易于擴充 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 １５ (6) 與 C 語言和 Fortran 語言有良好的接口 MATLAB 系統(tǒng)及工具箱 MATLAB 具有眾多工具箱，此次仿真設計中主要運用仿真工具箱 (Simulink Toolbox)，下面對仿真工具箱做簡要介紹： SIMULINK 是 MATLAB 的工具箱之一，提供交互式動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的圖形環(huán)境。 圖 Simulink Toolbox 工具箱 利用 SIMULINK 進行系統(tǒng)的建模仿真，最大的優(yōu)點就是易學、易用，同時可以利用 MATLAB 提供的豐富的仿真資源。利用 SIMULINK 圖形化的環(huán)境及提供的豐富的功能模塊，用戶可以創(chuàng)建層次化的系統(tǒng)模型。 SIMULINK 內(nèi)置很多仿真的分析工具，如仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點等。利用這些專用模塊庫， SIMULINK 可以方便地進行 DSP 及通信系統(tǒng)等進行仿真分析和原型設計。 SIMULINK 啟動以后首先出現(xiàn)的是 SIMULINK 庫瀏覽器，如圖 所示 。圖 右側窗口即是 SIMULINK 公共模塊庫中的子庫，如 Continuous(連續(xù)模塊庫 )、 Discrete(離散模塊庫 )、 Sinks(信宿模塊庫 )、 Sources(信源模塊庫 )等。 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 １８ 圖 空的模型窗口 整個模型創(chuàng)建窗口的組成是：菜單欄，工具欄，編輯窗口和狀態(tài)欄。 電伺服位置控系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 電液伺服位置控系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 : ）（ SG ssss 82634425 10 ???????? ?? 使用 Matlab 命令繪制其根軌跡圖，在 Command Window 中輸入如下程序： num=[*10e10]。穩(wěn)定輸出不到“ 1”，誤差比較 大，故此系統(tǒng)仍未達到校正的目的，所以應該在比例控制的基礎上加入積分控制對系統(tǒng)進行校正。 比例控制器（ PD） 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 ２１ 圖 P、 PI、 PD 控制的 系統(tǒng)階躍響應曲線 由以上系統(tǒng)階躍響應曲線跟蹤及穩(wěn)態(tài)誤差圖可知，加入微分器后系統(tǒng)的響應曲線形狀仍是振蕩型，但震蕩次數(shù)顯著減少，并且超調(diào)量也降低了不少。 系統(tǒng)在給定不同頻率的正弦波的響應曲線 圖 給定信號為正弦波（ f=3HZ）時，系統(tǒng)的響應曲線 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 ２４ 圖 給定信號為正弦波（ f=8HZ）時，系統(tǒng)的響應曲線 從圖 ， ，隨著給定正弦波頻率的增大，系統(tǒng)響應曲線的精度越來越高。 以對于電 液伺服位置控系統(tǒng)， PID控制器有較好地抗干擾能 力 。 此次畢業(yè)設計讓我學到了很多東西，使自己更加深入的了解了控制理論為相關知識，更好的學習了 Matlab 軟件，懂得了理論聯(lián)系實際的重要性，以后走 向工作崗位我將不斷努位置學習，更好的提升自己的各方面水平。我 要特別感謝我的指導老師 郭志堅 老師的熱情關懷和悉心指導。最后，向在百忙中抽出時間對本文進行評審并提出寶貴意見的各位老師表示衷心地感謝！ 。對我提出的問題給予詳細的回答和具體的指導，并給了我許多寶貴的意見，讓我有信心一步步完成自己的設計。畢業(yè)設計是對我這三年來學習的一個檢驗，也是我完成學業(yè)的一個標志，但不是結束學業(yè)的標志，因為學習是無止境的。滿足了該系統(tǒng)對設計性能參數(shù)的要求。 系統(tǒng)在加擾動后的響應曲線 圖 系統(tǒng)在 t= 陽泉 學院 — 畢業(yè)設計說明書 ２５ 系統(tǒng)在 t=，從圖 ，由于 PID控制器的調(diào)節(jié)作用，在